Найден простой и недорогой способ заставить микрочастицы самостоятельно собираться в кристаллы определенных веществ и материалов.
Обычные полимеры сыграли роль философского камня
Слева - коллоидные частицы под электронным микроскопом, справа - искусственные опалы, снятые на камеру смартфона

Ученые давно интересуются процессами самосборки микрочастиц в высокоупорядоченные структуры. Крошечные частицы «распознают» друг друга и особым образом связываются в кристаллические решетки известных или новых веществ. Управление процессами самосборки микрочастиц может положить начало эре невиданных ранее функциональных материалов.

Вынудить частицы собираться в упорядоченные группы можно способом, украденным из архивов госпожи природы. Хаотичную толпу из частиц равномерно опутывают нитями из молекул ДНК. Генетический код, подобно армейскому командиру, инструктирует разболтанное «войско» и указывают кому куда встать. Услуги подобного «командира» на рынке науки стоят дорого, ведь для создания большого количества вещества требуется много молекул ДНК.

Ученые из Нью-Йоркского университета придумали более простой и дешевый способ упорядочить коллоидные частицы. Исследование опубликовано в журнале Nature.

Коллоидные частицы в 1000 раз больше атомарных ионов, какие можно обнаружить в водном растворе соли, но меньше дисперсных частиц, которые присутствуют в тумане и дыму. В коллоидном растворе частицы состоят из массива молекул и благодаря большой площади поверхности собирают на себя положительные или отрицательные ионы из окружающей среды. Суммарный заряд адсорбированных ионов составляет заряд коллоидных частиц, которые собираются затем в группы силами кулоновского притяжения.

Без помощи «командира» коллоидные частицы собираются в неравновесные структуры: кластеры и гели. Вместо молекул ДНК, опутывающих частицы, или философского камня, превращающего любой металл в золото, авторы нового исследования использовали доступные коммерческие полимеры. Полимеры ослабляли притяжение между частицами и вынуждали их выстраиваться в структуры, имитирующие кристаллические решетки соли и опала.

В результате ученые получили искусственно выращенную пищевую добавку и сияющие, переливающиеся на солнце «драгоценные камни». Неповторимую радужную окраску опалу придает именно кристаллическая структура, в которой преломляется и рассеивается солнечный свет.

Использование процессов самосборки в будущем позволит как имитировать материалы, встречающиеся в природе, так и создавать искусственные с набором свойств, превосходящих для некоторых целей естественные. «Мы вдохновлены природными ионными кристаллами, но полагаем, что выйдем за рамки их структурной сложности, используя коллоидные строительные блоки», — поделились планами исследователи.